第1章常用的半导体器件

1、第第1 1章章 常用半导体器件常用半导体器件1.1 PN1.1 PN结结光敏性：当收到光照时，导电能力明显变化。光敏性：当收到光照时，导电能力明显变化。参杂性：往纯净的半导体中参入某种杂质，导电能力明显参杂性：往纯净的半导体中参入某种杂质，导电能力明显 改变。改变。1.1.11.1.1半导体的导电特性半导体的导电特性1. 1.半导体的特点半导体的特点热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。2 2、本征半导体、本征半导体 本征半导体本征半导体纯净的、不含其他杂质的半导体纯净的、不含其他杂质的半导体 本征半导体的导电能本征半导体的导电能力很弱，接近绝

2、缘体。力很弱，接近绝缘体。导电性取决于外加能量：导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。光照变化，导电性变化。电子载流子载流子空穴1.1.11.1.1半导体的导电特性半导体的导电特性形成：形成： 在本征半导体中掺在本征半导体中掺入微量三价元素。入微量三价元素。(1) P(1) P型半导体型半导体3.3.杂质半导体杂质半导体1.1.11.1.1半导体的导电特性半导体的导电特性多数载流子多数载流子空穴空穴 少数载流子少数载流子电子电子3.3.杂质半导体杂质半导体形成：形成： 在本征半在本征半导体中掺入微导体中掺入微量五价元素。量五价元素。(2) N(

3、2) N型半导体型半导体1.1.11.1.1半导体的导电特性半导体的导电特性多数载流子多数载流子电子电子 少数载流子少数载流子空穴空穴1. PN1. PN结的形成结的形成1.1.2 PN1.1.2 PN结结动态平衡动态平衡形成空间电荷区形成空间电荷区PNPN结形成结形成P P型和型和NN型半导体结型半导体结合合扩散运动扩散运动内电场建立内电场建立阻碍扩散运动阻碍扩散运动促使漂移运动促使漂移运动多子浓度差多子浓度差2. PN2. PN结的单向导电特性结的单向导电特性（1 1）PNPN结正向偏置结正向偏置正偏正偏P P区接区接电源正极，电源正极，NN区区接电源负极。接电源负极。PNPN结正偏时呈导

4、通状态，正向电阻很小，正向电流很大。结正偏时呈导通状态，正向电阻很小，正向电流很大。1.1.2 PN1.1.2 PN结结（2 2）PNPN结反向偏置结反向偏置反偏反偏NN区接电区接电源正极，源正极，P P区接电区接电源负极。源负极。PNPN结反偏时呈截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。结反偏时呈截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。2. PN2. PN结的单向导电特性结的单向导电特性1.1.2 PN1.1.2 PN结结（1 1）热击穿：不可逆，应避免。）热击穿：不可逆，应避免。（2 2）电击穿：可逆。又分为雪崩击穿和齐纳击穿。无论发）电击穿：可逆。又分为雪崩击穿和齐纳击穿。无论发生哪种击穿，

5、若对其电流不加以限制，都可能造成生哪种击穿，若对其电流不加以限制，都可能造成PNPN结的永结的永久性损坏。久性损坏。3. PN3. PN结的反向击穿特性结的反向击穿特性1.1.2 PN1.1.2 PN结结1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 1.2.1 二极管的结构二极管的结构1.1.结构与符号结构与符号由一个由一个PNPN结构成结构成（a a）点接触型）点接触型（b b）面接触型）面接触型1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 1.2.1 二极管的结构二极管的结构1.1.结构与符号结构与符号 在在PNPN结的两端各引出一根电极引线，然后用外壳封装结的两端各引出一根电

6、极引线，然后用外壳封装起来就构成了半导体二极管（或称晶体二极管，简称二极起来就构成了半导体二极管（或称晶体二极管，简称二极管）。管）。1.2.1 1.2.1 二极管的结构二极管的结构2.2.分类分类（a）点接触型 （b）面接触型 （c）平面型材料：硅二极管和锗二极管材料：硅二极管和锗二极管用途：整流、稳压、开关、普通二极管用途：整流、稳压、开关、普通二极管结构、工艺：点接触型、面接触型、平面型结构、工艺：点接触型、面接触型、平面型1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型二极管的伏安特性及电路模型1. 1. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性伏安特性是指二极管两端的电压伏安特性是指二极管

7、两端的电压u与流过二极管电流与流过二极管电流i的关系。的关系。反向饱和电流反向饱和电流 1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型二极管的伏安特性及电路模型（1）正向特性）正向特性 当外加正向电压小于死区电压当外加正向电压小于死区电压Uth 时，时，正向电流正向电流i0。Uth 又称开启电压或门坎电压，硅管约为又称开启电压或门坎电压，硅管约为0.5V，锗管约为，锗管约为0.1V。 当正向电压继续增大至二极管完全导通后，两端电压基当正向电压继续增大至二极管完全导通后，两端电压基本为定值，称为二极管的正向导通压降。硅管约为本为定值，称为二极管的正向导通压降。硅管约为0.60.8V（通常取（

8、通常取0.7V），锗管约为），锗管约为0.20.3V（通常取（通常取0.2V）。）。 1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型二极管的伏安特性及电路模型（2）反向特性）反向特性 外加反向电压时，反向电流很小（外加反向电压时，反向电流很小（IIS），而且在），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。在室温下，硅管称此电流值为二极管的反向饱和电流。在室温下，硅管的反向饱和电流比锗管的小得多，小功率硅管的的反向饱和电流比锗管的小得多，小功率硅管的IS小于小于0.1A，锗管为几十微安。，锗管为几十

9、微安。 当反向电压达到当反向电压达到U（BR）时，反向电流急剧增大，二时，反向电流急剧增大，二极管击穿。极管击穿。U（BR）称为反向击穿电压，二极管一旦击穿，称为反向击穿电压，二极管一旦击穿，便失去单向导电性，使用时要注意。便失去单向导电性，使用时要注意。 可以使用可以使用multisim测试二极管的伏安特性曲线测试二极管的伏安特性曲线1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型二极管的伏安特性及电路模型2. 2. 温度特性温度特性 温度对二极管伏安特性的影响很大，如图温度对二极管伏安特性的影响很大，如图1.2.3中虚线中虚线部分为温度升高时的特性。特点概括如下：部分为温度升高时的特性。

10、特点概括如下：（1）当温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动）当温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动二极管的导通压降降低。二极管的导通压降降低。（2）当温度升高时，二极管的反向特性曲线向下移动）当温度升高时，二极管的反向特性曲线向下移动反向饱和电流反向饱和电流IS增大。增大。（3）当温度升高时，反向击穿电压）当温度升高时，反向击穿电压U(BR)减小。减小。 结论：结论： 二极管是非线性元件；二极管具有单向导电性。二极管是非线性元件；二极管具有单向导电性。1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性及电路模型二极管的伏安特性及电路模型3.3.电路模型电路模型（1）理想模型）理想模型（2）恒压降

11、模型）恒压降模型（3）小信号模型）小信号模型 1.2.3 1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 1. 最大整流电流最大整流电流IFM2. 反向击穿电压反向击穿电压UBM3. 反向电流反向电流IR4. 最高工作频率最高工作频率fM 1.2.4 1.2.4 二极管的应用及测试二极管的应用及测试1. 1. 二极管的应用二极管的应用 整流整流 限幅（例限幅（例1.2.1） 检波检波 钳位钳位1.3 1.3 特殊二极管特殊二极管1.3.1 1.3.1 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是一种特殊稳压二极管是一种特殊工艺制造的面接触型硅二极工艺制造的面接触型硅二极管，通常工作在反向击穿状管，通常工作

12、在反向击穿状态。态。 稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。曲线完全一样。1. 1. 基本概念基本概念2. 2. 主要参数主要参数(1) (1) 稳定电压稳定电压V VZ Z1.3.1 1.3.1 稳压二极管稳压二极管 UZ是指稳压管在正常工作（流过的电流在规定范围内）时，稳压管两端的电压值。（2 2）稳定电流）稳定电流I IZ Z和最大稳定电流和最大稳定电流I IZMZM IZ是指稳压管在正常工作时的参考电流值，通常为工作电压等于UZ时所对应的电流值。当工作电流低于IZ时，稳压效果变差。若工作电流低于IZmin将失去稳压作用。最

13、大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大反向电流，若工作电流高于IZM稳压管易击穿而损坏。 （3）最大耗散功率）最大耗散功率PZM PZM是指稳压管的稳定电压UZ与最大稳定电流IZM的乘积，它是由管子的温升所决定的参数。 IZM和PZM是为了保证管子不发生热击穿而规定的极限参数。 1.3.1 1.3.1 稳压二极管稳压二极管【例1.3.1】图1.3.2是稳压管稳压电路，其中R是限流电阻。已知UI=20V，R=1K，RL=1.5K，稳压管的稳定电压UZ =8V，最大整流电流IZmax=10mA。试求稳压管中通过的电流IZ是否超过IZmax。 稳压二极管在工作时应反接，并稳压二极管在工作时应反接，

14、并串入一只电阻串入一只电阻R。 电阻电阻R起限流作用，保护稳压管；起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。电流，从而起到稳压作用。1.3.1 1.3.1 稳压二极管稳压二极管ZIV12205 . 115 . 1UURRRULLDZLRZIIImA56115 . 191019203LOOIZRURUUI解：先假设稳压管开路，则故稳压管能够击穿，UO = UZ = 8V因为所以IZmax因为IZIZmax，故限流

15、电阻选的合适。 发光二极管发光二极管(LED) (LED) 是一种将电能转化为光能的特殊二极管。是一种将电能转化为光能的特殊二极管。 根据材料的不同可发出红、绿、兰、黄光泽。其工作电压根据材料的不同可发出红、绿、兰、黄光泽。其工作电压一般为一般为(1.5(1.53V),3V),工作电流为工作电流为(10mA(10mA30mA)30mA)。1.3.2 1.3.2 发光二极管发光二极管 又称为光敏二极管，反向偏置时又称为光敏二极管，反向偏置时光照导通。反向电流随光照强度的增光照导通。反向电流随光照强度的增加而上升。加而上升。 是一种将光信号转化为电信号的是一种将光信号转化为电信号的特殊二极管特殊二

16、极管, ,如影碟机中的激光二极管如影碟机中的激光二极管. .1.3.3 1.3.3 光电二极管光电二极管1.4 1.4 双极型三极管双极型三极管 双极型半导体三极管（简称BJT），又称为双极型晶体三极管或三极管、晶体管等。之所以称为双极型管，是因为它由空穴和自由电子两种载流子参与导电。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。 1.4.1 1.4.1 三极管的基本结构及类型三极管的基本结构及类型 1.1.结构与符号结构与符号1.4.1 1.4.1 三极管的基本结构及类型三极管的基本结构及类型2. 2. 三极管的分类三极管的分类按材料可分为：硅管和锗管两类。按工作频率高低可分为：低频管（3M

17、Hz以下）和高频管（3MHz以上）两类。按功率分为：大、中、小功率等。根据特殊性能要求可分为开关管、低噪声管、高反压管等等。 3. 3. 三极管结构特点三极管结构特点 发射区的掺杂浓发射区的掺杂浓度最高。度最高。 集电区掺杂浓度集电区掺杂浓度低于发射区，且低于发射区，且面积大。面积大。 基区很薄，一般在几个微基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺米至几十个微米，且掺杂浓度最低。杂浓度最低。1. 1. 电流放大条件电流放大条件 三极管的电流放大作用是三极管的电流放大作用是在一定的外部条件控制下，通在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。过载流子传输体现出来的。内部条件：内部结构上的

18、特点内部条件：内部结构上的特点外部条件：发射结正向偏置，外部条件：发射结正向偏置， 集电结反向偏置集电结反向偏置1.4.2 1.4.2 晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用（1 1）电流分配关系）电流分配关系 EiBiCi（2 2）电流放大关系）电流放大关系电流放大作用电流放大作用基极电流较小的变化引起集基极电流较小的变化引起集电极电流较大的变化，即小量控制大量的作用。电极电流较大的变化，即小量控制大量的作用。2. 2. 晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用晶体三极管的电流分配关系及电流放大作用1.4.2 1.4.2 晶体三极管的电流分配关系及电流放晶

19、体三极管的电流分配关系及电流放 大作用大作用BCII. . 输入特性曲线输入特性曲线1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线（1 1）u uCECE=0V=0V时，相当于两个时，相当于两个PNPN结并联。结并联。（3 3）u uCE CE 1V1V再增加时，曲线右移很不明显。不同的再增加时，曲线右移很不明显。不同的UCEUCE输入输入曲线几乎重合。曲线几乎重合。（2 2）当）当u uCE=CE=1V1V时，时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，以基区复合减少， 在同一在同一u uBE BE 电压下，电压

20、下，i iB B 减小。特性曲线将向减小。特性曲线将向右稍微移动一些。右稍微移动一些。1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线. . 输入特性曲线输入特性曲线1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线 输出特性是只在基极电流IB一定的情况下，集电极与发射极之间的电压uCE与集电极电流iC之间的关系，即2. 2. 输出特性曲线输出特性曲线BI常数BICECufi)( 通常把输出特性曲线分成截止、饱和、放大三个工作区来分析半导体三极管的工作状态。1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线总结三极管三个工作区

21、的特点，见表1.4.1. 表1.4.1晶体管在不同工作状态下的特点 【例1.4.1】测得工作在放大电路中两个晶体管管脚对地的电位分别如下表所列。试判断管型、电极及所用材料。 1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线管脚123管脚123电位（V）+4.2+3.6+12电位（V）62.32晶体管1 晶体管2（1）晶体管1中，3脚电位最高，它是集电极C，且为NPN型管。1脚和2脚之间的电压为0.6V，可确定1脚是基极、2脚是发射极，且为硅管。 （2）晶体管2中，1脚电位最低，它是集电极C，且为PNP型管。2脚和3脚之间的电压为0.3V，可确定2脚是基极、3脚是发射极，

22、且为锗管。 【例1.4.2】在图1.4.6中，给出了实测双极型三极管各个电极的对地电位，试判定这些三极管是硅管还是锗管？处于哪种工作状态？ 1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线 （a) (b) (c)图1.4.6 例1.4.2图（1）在（a）图中，晶体管为NPN型。因为UBE=0.7V，发射结正偏，为硅管。又因为VBVC，集电结也正偏，故工作在饱和状态。 【例1.4.2】在图1.4.6中，给出了实测双极型三极管各个电极的对地电位，试判定这些三极管是硅管还是锗管？处于哪种工作状态？ 1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线 （a

23、) (b) (c)图1.4.6 例1.4.2图（2）在（b）图中，晶体管为NPN型。因为UBE=0.3V，发射结正偏，为锗管。又因为VBVC，集电结反偏，故工作在放大状态。 【例1.4.2】在图1.4.6中，给出了实测双极型三极管各个电极的对地电位，试判定这些三极管是硅管还是锗管？处于哪种工作状态？ 1.4.3 1.4.3 晶体三极管的伏安特性曲线晶体三极管的伏安特性曲线 （a) (b) (c)图1.4.6 例1.4.2图（3）在（c）图中，晶体管为PNP型。因为UBE0.600.6V，发射结反偏（PNP型），又因为VBVC ，集电结也反偏，故工作在截止状态。此时无法判别是硅管还是锗管。ICE

24、O=(1+)ICBO（2 2）交流电流放大系数）交流电流放大系数=IC / IB（1 1）直流电流放大系数直流电流放大系数=IC / IB 1. 1.电流放大系数电流放大系数（1 1）集电极基极间反向饱和电流）集电极基极间反向饱和电流 ICBO（2 2）集电极发射极间穿透电流）集电极发射极间穿透电流 ICEO2. 2. 极间反向饱和电流极间反向饱和电流1.4.4 1.4.4 晶体三极管的主要参数晶体三极管的主要参数1.4.4 1.4.4 晶体三极管的主要参数晶体三极管的主要参数4.4.温度对三极管参数的影响温度对三极管参数的影响3.3.极限参数极限参数（1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电

25、流ICM（2）集电极最大允许耗散功率）集电极最大允许耗散功率PCM（3）集电极击穿电压）集电极击穿电压U(BR)CEO （1）对）对IEBO 、ICBO的影响的影响温度每升高温度每升高10，ICBO增大一倍。增大一倍。 （2）对）对的影响的影响温度每升高温度每升高1，增加增加0.5%1.0%左右左右 （3）对发射结导通电压）对发射结导通电压UBE的影响的影响温度每升高温度每升高1，UBE 减小减小22.5 mV。 晶体三极管（晶体三极管（BJT）是一种电流控制元件）是一种电流控制元件(iB iC)，工，工作时，多数载流子和少数载流子都参与导电，所以被称为作时，多数载流子和少数载流子都参与导电，

26、所以被称为双极型器件。双极型器件。 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor简称简称FET）是一种）是一种电压控制器件电压控制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。电，因此它是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。阻极高等优点，得到了广泛应用。 1.5 1.5 场效应管场效应管场效应管分类场效应管分类1.5 1.5 场效应管场效应管）沟道（）沟道（耗尽型）沟道（）沟道（增强型）绝缘栅（沟道沟道）结型（场

27、效应管（PMOSPNMOSNPMOSPNMOSNMOSFETPNJFETFET)1.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 1. N 1. N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 （1 1）结构及符号）结构及符号栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，时， 管子截止。管子截止。ID0 当当uGS0V时时 纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。耗尽层。1.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 1. N 1. N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 再增加再增加UGS 纵向电场纵向电

28、场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。开启电压（开启电压（UT）刚刚产生沟道所需的栅源电压刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。特性：特性： uGS UT，管子截止，管子截止， uGS UT，管子导通。，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电作用下，漏极电流流ID越大。越大。（2 2）工作原理）工作原理1.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管（3 3）特性曲线）特性曲线 1.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应管绝